一种磁驱动仿生机器鱼系统及其工作方法

一种磁驱动仿生机器鱼系统及其工作方法
(一)技术领域：
1.本发明属于仿生机器人技术领域，特别是一种磁驱动仿生机器鱼系统及其工作方法。
(二)

背景技术：

2.随着仿生学、人工智能领域的不断发展进步以及机器人技术的逐步成熟，仿生机器鱼的研究成为鱼类推进激励和机器人技术的结合点。仿生机器人就是模仿生物某种运动、能够适应不同环境、从事生物特点工作的机器人。本发明涉及的磁驱动仿生机器鱼是参照鱼类游泳的推进机理，利用磁驱动技术实现其推进的一种运动装置。
3.仿生机器鱼具有结构简单、机动性能优异、推进效率高、隐蔽性好等优点。常见的仿生机器鱼一般利用电机作为驱动装置，实现机器人动作。但在实际应用过程中电机驱动需要装载电池，并且电池容量问题也需要解决。
(三)

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种磁驱动仿生机器鱼系统及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单且方法容易实现的无线驱动机器人。
5.本发明的技术方案：一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于它包括控制器和机器人两部分；其中，所述控制器发出驱动和控制信号控制机器人进行前进、后退和停止动作。
6.所述控制器为环绕特定场合外部的三轴亥姆霍兹线圈；所述机器人在所述控制器内部稳定磁场中进行运动；所述控制器将通过亥姆霍兹线圈发出驱动和控制信号，控制机器人运动。
7.所述机器人包括头部外壳、内部螺旋和尾部三部分；其中，内部螺旋首尾分别插入头部外壳和尾部内。
8.所述内部螺旋上安装有固定装置，所述固定装置底部有开孔，内部螺旋穿入固定装置中；所述固定装置置于头部外壳内。
9.所述内部螺旋上套有环形径向永磁体；所述环形径向永磁体固定安装于内部螺旋固定装置内，所述固定装置内置的环形径向永磁体在控制器的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场中产生旋转运动，同时带动内部螺旋以其中心轴方向进行旋转，从而带动尾部进行波状运动；所述内部螺旋顺时针或者逆时针旋转，带动尾产生波状运动，从而完成仿生机器鱼的前进或后退运动。
10.所述环形径向永磁体是钕铁硼永磁体；所述内部螺旋与永磁体的磁化方向相同。
11.所述头部外壳上安装有摄像头装置。
12.所述内部螺旋的旋转的波浪的直径d11大于机器人头部外壳1的直径d12。
13.所述尾部是由旋转关节组成的连杆和带有尾部旋转关节的鱼尾组成，所述内部螺旋置于依次连接的旋转关节内；所述连杆的弯曲程度与内部螺旋的形状有关。
14.所述头部外壳带加长旋转关节，其一端固定于头部外壳的外侧，另一端与尾部的连杆连接；所述连杆靠近鱼尾的最后三截旋转关节依次变窄，最后与鱼尾连接；所述依次变窄的三截旋转关节与尾部旋转关节连接。
15.所述旋转关节均为同等材质1mm直径圆柱体构成，依次首尾连接，且连接表面用乙烯-醋酸乙烯共聚物固定。
16.一种所述磁驱动仿生机器鱼系统的工作方式，其特征在于它包括以下内容：磁驱动仿生机器鱼到达指定的起始位置后，利用三轴亥姆霍兹线圈产生万向空间旋转磁场，驱动机器人内部环形径向永磁体旋转，并带动内部螺旋旋转，以此带动尾部连杆产生波状运动；调整磁场旋转方向，机器人可以实现反向运动；当内部螺旋旋转时，尾部连杆被约束着沿着螺旋运动，在工作环境中工作时与运动时的接触面相接触时产生向前和向后的推进力，从而实现前进和后退的运动。
17.所述磁驱动仿生机器鱼通过万向空间旋转磁场，采用主动和被动控制模态，实现磁驱动仿生机器鱼的定点停驻、前进和后退。
18.本发明的优越性：(1)采用外部磁场磁控式驱动，提高了机器人运动效率；(2)磁驱动仿生机器鱼可以通过外部磁场控制其前进后退和定点停驻；(3)结构简单，实际应用范围广泛，可携带必要的检测设备用于狭窄空间内的检测，自由穿梭于复杂狭小的空间内；(4)通过多关节的机构实现多自由度的波状运动效果，使整个运动过程中的稳定性、灵活性显著增强；(5)特殊的尾部关节(靠近鱼尾部的依次变窄的最后三节旋转关节)增加了磁控式仿生机器鱼的抗干扰能力；(6)通过灵活的旋转关节使得机器鱼能够更加适应多种地形的攀爬，显著提高了其在不同材质水平表面的移动速度。
(四)附图说明：
19.图1是本发明所涉一种磁驱动仿生机器鱼系统的结构示意图(其中，图1-a为主视图，图1-b为左视图)。
20.图2是本发明所涉一种磁驱动仿生机器鱼系统中仿生机器鱼的头部外壳结构的剖视图。
21.图3是本发明所涉一种磁驱动仿生机器鱼系统的内部螺旋上的内部固定装置的结构示意图。
22.图4是本发明所涉一种磁驱动仿生机器鱼系统的内部螺旋结构示意图。
23.图5是本发明所涉一种磁驱动仿生机器鱼系统的尾部旋转关节的结构示意图。
24.图6是本发明所涉一种磁驱动仿生机器鱼系统的尾部带有旋转关节的鱼尾的结构示意图。
25.图7是本发明所涉一种磁驱动仿生机器鱼系统的环状径向永磁体的结构示意图。
26.图中，1为头部外壳，2为头部加长旋转关节，3为内部螺旋，4为旋转关节，5为三节依次变窄的旋转关节，6为鱼尾，7为内部螺旋上的固定装置，8为环状径向永磁体，9为旋转关节组成的连杆，10为尾部旋转关节，11为内部螺旋的旋转的波浪的直径，12为机器人头部外壳的直径。
(五)具体实施方式：
27.下面将结合附图进行本专利实施方式的具体说明。
28.一种磁驱动仿生机器鱼系统，包括控制器部分和机器人部分，如图1所示；其中，所述控制器发出驱动和控制信号控制机器人进行前进、后退和停止动作。
29.所述控制器为环绕特定场合外部的三轴亥姆霍兹线圈；所述机器人在所述控制器内部稳定磁场中进行运动；所述控制器将通过亥姆霍兹线圈发出驱动和控制信号，控制机器人运动。
30.如图1所示，机器人包括头部外壳1、内部螺旋3和尾部三部分；其中，内部螺旋3首尾分别插入头部外壳1和尾部内。
31.所述内部螺旋3上安装有固定装置7，如图3所示；所述固定装置底部有开孔，内部螺旋3穿入固定装置7中；所述固定装置7置于头部外壳1内，如图2所示。
32.所述内部螺旋3上套有环形径向永磁体8，如图7所示；所述环形径向永磁体8固定安装于内部螺旋固定装置7内，如图2所示，所述固定装置7内置的环形径向永磁体8在控制器的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场中产生旋转运动，同时带动内部螺旋3以其中心轴方向进行旋转，从而带动尾部6进行波状运动；所述内部螺旋3顺时针或者逆时针旋转，带动尾产生波状运动，从而完成仿生机器鱼的前进或后退运动。
33.所述环形径向永磁体8是钕铁硼永磁体；所述内部螺旋3与永磁体8的磁化方向相同。
34.所述头部外壳1上安装有摄像头装置。
35.如图1-b所示，所述内部螺旋3的旋转的波浪的直径d11大于机器人头部外壳1的直径d12。(本实施例中，波浪的直径11为20mm，头部外壳直径12为18mm。)
36.所述尾部是由旋转关节4组成的连杆9(本实施例中是由8段旋转关节组成连杆)和带有尾部旋转关节10的鱼尾6组成，如图1、图5和图6所示；所述内部螺旋3置于依次连接的旋转关节内；所述连杆9的弯曲程度与内部螺旋3的形状有关。
37.所述头部外壳1带加长旋转关节2，一端固定与头部外壳1的外侧，另一端与尾部的连杆9连接，如图1、图2所示；所述连杆9靠近鱼尾6的最后三截旋转关节4依次变窄(本实施例中是从第六段其宽度依次变窄)，最后与鱼尾6连接，如图1所示，所述依次变窄的三截旋转关节5与尾部旋转关节1 0连接。
38.所述旋转关节4均为同等材质1mm直径圆柱体构成，依次首尾连接，且连接表面用乙烯-醋酸乙烯共聚物(eva)固定。
39.一种上述磁驱动仿生机器鱼系统的工作方式，其特征在于它包括以下内容：磁驱动仿生机器鱼到达指定的起始位置后，利用三轴亥姆霍兹线圈产生万向空间旋转磁场，驱动机器人内部环形径向永磁体8旋转，并带动内部螺旋3旋转，以此带动尾部连杆9产生波状运动；调整磁场旋转方向，机器人可以实现反向运动；当内部螺旋3旋转时，尾部连杆9被约束着沿着螺旋运动，与接触面相接触时产生向前和向后的推进力，从而实现前进和后退的运动。
40.所述磁驱动仿生机器鱼通过万向空间旋转磁场，采用主动和被动控制模态，实现磁驱动仿生机器鱼的定点停驻、前进和后退。
41.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理
解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：
1.一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于它包括控制器和机器人两部分；其中，所述控制器发出驱动和控制信号控制机器人进行前进、后退和停止动作。2.根据权利要求1所述一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于所述控制器为三轴亥姆霍兹线圈；所述机器人在所述控制器内部稳定磁场中进行运动；所述控制器将通过亥姆霍兹线圈发出驱动和控制信号，控制机器人运动。3.根据权利要求2所述一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于所述机器人包括头部外壳(1)、内部螺旋(3)和尾部三部分；其中，内部螺旋(3)首尾分别插入头部外壳(1)和尾部内。4.根据权利要求3所述一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于所述内部螺旋(3)上安装有固定装置(7)，所述固定装置底部有开孔，内部螺旋(3)穿入固定装置(7)中；所述固定装置(7)置于头部外壳(1)内。5.根据权利要求4所述一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于所述内部螺旋(3)上套有环形径向永磁体(8)；所述环形径向永磁体(8)固定安装于内部螺旋固定装置(7)内。6.根据权利要求5所述一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于所述环形径向永磁体(8)是钕铁硼永磁体；所述内部螺旋(3)与永磁体(8)的磁化方向相同；所述内部螺旋(3)的旋转的波浪的直径大于机器人头部外壳(1)的直径。7.根据权利要求3所述一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于所述头部外壳(1)上安装有摄像头装置；所述尾部是由旋转关节(4)组成的连杆(9)和带有尾部旋转关节(10)的鱼尾(6)组成，所述内部螺旋(3)置于依次连接的旋转关节内；所述连杆(9)的弯曲程度与内部螺旋(3)的形状有关。8.根据权利要求3所述一种磁驱动仿生机器鱼系统，其特征在于所述头部外壳(1)带加长旋转关节(2)，其一端固定于头部外壳(1)的外侧，另一端与尾部的连杆(9)连接；所述连杆(9)靠近鱼尾(6)的最后三截旋转关节(4)依次变窄，最后与鱼尾(6)连接；所述依次变窄的三截旋转关节(4)与尾部旋转关节(10)连接；所述旋转关节(4)均为同等材质1mm直径圆柱体构成，依次首尾连接，且连接表面用乙烯-醋酸乙烯共聚物固定。9.一种磁驱动仿生机器鱼系统的工作方法，其特征在于它包括以下内容：磁驱动仿生机器鱼到达指定的起始位置后，利用三轴亥姆霍兹线圈产生万向空间旋转磁场，驱动机器人内部固定装置(7)内置的环形径向永磁体(8)在控制器的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场中产生旋转运动，并带动内部螺旋(3)以其中心轴方向进行旋转，以此带动尾部连杆(9)产生波状运动；调整磁场旋转方向，使内部螺旋(3)逆时针方向旋转以此带动尾部连杆(9)产生相反的波状运动，机器人可以实现反向运动；当内部螺旋(3)旋转时，尾部连杆(9)被约束着沿着螺旋运动，产生向前和向后的推进力，从而实现前进和后退的运动。10.根据权利要求9所述一种磁驱动仿生机器鱼系统的工作方法，其特征在于所述磁驱动仿生机器鱼通过万向空间旋转磁场，采用主动和被动控制模态，实现磁驱动仿生机器鱼的定点停驻、前进和后退。

技术总结
一种磁驱动仿生机器鱼系统包括控制器和机器人两部分；其中，控制器为环绕特定场合外部的三轴亥姆霍兹线圈，用于发出驱动和控制信号控制机器人进行前进、后退和停止动作；机器人在控制器内部稳定磁场中进行运动，由头部外壳、内部螺旋和尾部构成；利用三轴亥姆霍兹线圈产生万向空间旋转磁场，驱动机器人内部环形径向永磁体旋转，并带动内部螺旋旋转，以此带动尾部连杆产生波状运动；调整磁场旋转方向，机器人可以实现反向运动；当内部螺旋旋转时，尾部连杆被约束着沿着螺旋运动，并产生向前和向后的推进力，从而实现前进和后退的运动。结构简单，应用范围广，稳定性、灵活性显著，抗干扰能力强，且移动速度快。且移动速度快。且移动速度快。


技术研发人员：付强 赵东东 段佰龙 徐晓宁
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/9/23